JP2009516928A - Ｃｍｐ用の摩擦低減補助 - Google Patents

Abstract

本発明は基材研磨用の化学機械研磨系を提供し、これは研磨組成物、水溶性ケイ酸塩化合物、酸化剤、および水を含み、ここで研磨系のｐＨが８〜１２である。本発明はさらに前述の研磨系を用いて化学機械研磨する方法を提供する。この研磨系は、基材を研磨する間の摩擦の低減をもたらす。
【選択図】なし

Description

集積回路は、シリコン基材内もしくは上に形成された多数の能動デバイス（ａｃｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ）から構成されている。能動デバイスは化学的および物理的に基材に接続され、および多層配線（ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）の使用により相互接続され、機能性回路を形成する。一つの製造プロセスにおいて、誘電性基材が従来のドライエッチングプロセスによってパターン化処理され、垂直および水平相互接続のためのホールおよびトレンチを形成する。次に、このパターン化処理された表面は随意的に拡散バリア層および／または接着促進層でコーティングされ、続いて金属層が付着されトレンチおよびホールを充てんする。次に、化学−機械研磨（ＣＭＰ）が利用されて、下に横たわる誘電層が露出するまで、拡散バリア層および／または接着促進層の厚みだけでなく、金属層の厚みも低減し、このようにして回路デバイスを形成する。

化学機械研磨において、基材の表面は研磨組成物および研磨成分、例えば研磨パッドと接触する。研磨組成物（研磨スラリーとしても知られる）は概して、研削材を水溶液中に含み、そして研磨組成物を染み込ませた研磨パッドを表面に接触させることによって、表面に適用される。表面材料をより柔らかくより簡単に摩耗させることができるこの材料の派生物に変え、次にその派生物が研削材料および／または研磨パッドの機械的作用によって除去されることによって、または、機械的作用のみによって除去される表面材料を可溶化することによって、研磨組成物の化学成分は研磨される基材の表面材料と反応すると考えられる。特定の用途では、研削材は研磨パッドの表面に貼ることができる。

研磨プロセスの間の、研磨組成物を間に有する、研磨パッドの表面と基材表面との相対運動に起因する摩擦力は、基材からの表面層の剥離を通じて、および、研磨パッドおよび／または研削粒子により基材をスクラッチすることによる線状のダメージを通じて、基材に形成されるデバイスの欠陥に至る可能性がある。また、パッド／スラリーインターフェースでの、研磨パッドの摩擦加熱は、パッドの故障を早める。研磨組成物に界面活性剤を組みこむこと、より柔らかい材料で構成された研磨パッドを使用すること、または基材／研磨パッドインターフェースに適用する力を低減することのような、摩擦力を低減する戦略は、しばしば研磨される材料の除去速度を低下させるが、これはプロセス時間を長くする結果をもたらし、したがってスループットを低下させ且つ全体の単価を増加させる。

さらに、マイクロエレクトロニクスデバイスの導電層間のキャパシタンスを低下させ、そしてこのようにしてデバイスが操作される周波数および速度を高める努力の中で、一般に使用される二酸化ケイ素系の誘電体よりも誘電率の低い材料が使用され、回路ライン間の電気絶縁性を提供している。低誘電率材料の例は、概して、有機ポリマー材料、無機および有機多孔性誘電材料、および有機および無機材料を配合または複合したものを含み、これらは多孔性または非孔性であってもよい。このような材料は、二酸化ケイ素系誘電体よりも機械的に柔らかく、そしてデバイス製造の間により簡単にダメージを受ける。半導体ウェハープロセスの間に、結果物のデバイスの表面を研磨するために従来の化学機械研磨（ＣＭＰ）系がなお使用可能なままで、半導体構造に低誘電率材料を組みこむことが非常に望ましい。

したがって、基材と研磨成分間の摩擦を減らす、化学−機械研磨組成物および系に対する要求がある。本発明のこれらのおよび他の利点は、追加的な発明の特徴とともに、ここに提供される本発明の詳細な説明から明らかになる。

本発明は、基材を研磨するための化学−機械研磨系を提供し、
この系は、（ａ）研磨パッド、研削剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、研磨成分；（ｂ）０．１ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量の、水溶性ケイ酸塩化合物；（ｃ）基材の少なくとも一部を酸化する、酸化剤；および、（ｄ）水、を含み、ここで、研磨系のｐＨは８〜１２である。
本発明はさらに、基材を化学的−機械的に研磨する方法を提供し、
この方法は、（ｉ）（ａ）研磨パッド、研削剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、研磨成分；（ｂ）０．１ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量の、水溶性ケイ酸塩化合物；（ｃ）基材の少なくとも一部を酸化する、酸化剤；および、（ｄ）水、を含む化学−機械研磨系と基材を接触させること；および（ｉｉ）基材の少なくとも一部を摩耗させて、基材を研磨することを含み、ここで、研磨系のｐＨは８〜１２である。

本発明は、化学機械研磨（ＣＭＰ）系を提供し、この系は研磨成分、０．１ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量の水溶性ケイ酸塩化合物、基材の少なくとも一部を酸化する酸化剤、および水を含み、ここで研磨系のｐＨは８〜１２である。水とそこに溶解または懸濁した任意の成分が、化学機械研磨系の研磨組成物を構成する。ここで述べた成分の量は、特にほかの断りがない限り、研磨組成物の総質量（すなわち、水とそこに溶解または懸濁した任意の成分の質量）を基準とする。

研磨成分は、研磨パッド、研削材、および研磨パッドと研削材の組み合わせからなる群から選択される。研削材が存在する場合、その研削材は任意の形態（例えば研削材粒子）であってもよい。研削材は研磨パッドに固定されてもよく、および／または、粒子の形態であって水中で懸濁していてもよい。研磨パッドは任意の好適なパッドであってもよく、それらの多くは技術的に既知である。

研削材は好適な研削材であって、例えば、その研削材は天然物または合成物であってもよく、および金属酸化物、炭化物、窒化物、炭化ケイ素、およびそれらに類するものを含んでもよい。研削剤はまた、高分子粒子またはコーティングされた粒子であってもよい。研削剤は、金属酸化物を含むことが望ましい。好ましくは、金属酸化物は、アルミナ、セリア、シリカ、ジルコニア、それらの共同生成製品(co-formed product)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。研削材粒子が概して２０ｎｍ〜５００ｎｍの平均粒子サイズ（例えば平均粒子直径）を有する。好ましくは、研削材粒子は、３０ｎｍ〜４００ｎｍの平均粒子サイズ（例えば４０ｎｍ〜３００ｎｍ、または５０ｎｍ〜２５０ｎｍ、または７５ｎｍ〜２００ｎｍ）を有する。

研削材が水中で懸濁するとき（すなわち研削材が研磨組成物の一成分であるとき）、任意の好適な量の研削材が研磨組成物中に存在することができる。一般的に、０．０１ｗｔ％以上（例えば０．０５ｗｔ％以上）の研削材が研磨組成物中に存在する。より一般的には、０．１ｗｔ％以上の研削材が研磨組成物中に存在する。研磨組成物中の研削材の量は、一般的に２０ｗｔ％を超えず、より一般的には１０ｗｔ％を超えない（例えば５ｗｔ％を超えない）。好ましくは、研磨組成物中の研削材の量は、０．０５ｗｔ％〜２ｗｔ％であり、より一般的には０．１ｗｔ％〜１ｗｔ％が好ましい。

研磨系は、任意の好適な研磨パッド（例えば研磨表面）を含んでもよい。好適な研磨パッドは、例えば、織った研磨パッドおよび不織研磨パッドを含む。さらに、好適な研磨パッドは、密度、堅さ、厚さ、圧縮性、圧縮した際の反発能力、および圧縮係数を変化させた好適なポリマーを含んでもよい。好適なポリマーは、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ弗化ビニル、ナイロン、弗化炭化水素、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリプロピレン、これらの共同生成製品、およびこれらの組み合わせを含んでもよい。

研磨系は水溶性ケイ酸塩化合物を含む。水溶性ケイ酸塩化合物は任意の好適な水溶性ケイ酸塩化合物であってもよい。望ましくは、水溶性ケイ酸塩化合物はアルカリ金属ケイ酸塩である。好ましくは、水溶性ケイ酸塩化合物は、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸カリウム、およびメタケイ酸ナトリウムからなる群から選択される。より好ましくは、水溶性ケイ酸塩化合物はケイ酸カリウムである。

本発明に使用するのに好適な水溶性ケイ酸塩化合物は、ケイ酸塩ガラスであってもよい。ケイ酸塩ガラスは、概して、好適なアルカリ金属化合物（例えば、炭酸ナトリウムおよび炭酸カリウム）とともにケイ砂を高温溶融することによって調製される。

水溶性ケイ酸塩化合物は、一般式Ｍ_２Ｏ・ｍＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏを有し、ここでＭはナトリウム、カリウムおよびリチウムからなる群から選択されるアルカリ金属であり、ｍ（係数として言及される）およびｎは、それぞれ、１モルのＭ_２ＯあたりのＳｉＯ_２およびＨ_２Ｏのモル数である。係数ｍはＳｉＯ_２のＭ_２Ｏに対するモル比である。ＳｉＯ_２のＭ_２Ｏに対する質量比も、水溶性アルカリ金属ケイ酸塩の組成物を表現するために一般的に使用される。係数ｍは任意の好適な０でない正の数（例えば１以上）であってよく、一般に１〜４であり、より一般的には２〜４（例えば２．８〜３．９、または３〜３．６）である。

好ましい実施態様では、水溶性ケイ酸塩化合物は一般式Ｋ_２Ｏ・ｍＳｉＯ_２を有するケイ酸カリウムであり、ここで係数ｍ（例えばＫ_２Ｏに対するＳｉＯ_２のモル比）は０でない正の数である。ケイ酸カリウムは任意の好適な係数を有する。望ましくは、係数は１以上である。好ましくは、係数は２．８〜３．９である。より好ましくは、係数は３〜３．６である。

水溶性ケイ酸塩化合物は、研磨組成物の水溶液中に存在している。水溶性ケイ酸塩化合物を用意する方法は、固体形態の水溶性ケイ酸塩化合物を水中に溶解させ、溶液を用意することである。あるいは、水溶性ケイ酸塩化合物の濃縮された溶液が希釈されて、望ましい濃度の水溶性ケイ酸塩化合物の溶液を得てもよい。様々なグレードのケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウム水溶液が市販されており、ここでその溶液は、溶液のＳｉＯ_２ｗｔ％およびＫ_２Ｏｗｔ％またはＮａ_２Ｏだけでなく、その調整で使用されたケイ酸塩の特定の係数によっても特徴づけられる。Zalcon,Inc．（オハイオ州、クリーブランド）およびPQ Corporation（ペンシルバニア州、ヴァレー フォージュ）は、固体形態および溶液のケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウムの両方の二大供給業者である。

ケイ酸カリウムの水溶液はまた熱水プロセスによって得てもよく、ここで二酸化ケイ素（例えばＳｉＯ_２）源が水酸化カリウムと上昇させた温度および／または圧力の条件下で反応する。ケイ酸カリウムの水溶液を製造するための好適な熱水プロセスの例は、米国特許５，０８４，２６２号、および５，２３８，６６８号に開示されている。

研磨系の研磨組成物は、任意の好適な量の水溶性ケイ酸塩化合物を含んでもよい。一般的に、研磨組成物中に存在する水溶性ケイ酸塩化合物の含有率は、水とそこに溶解した任意の成分の総質量を基準として、水溶性ケイ酸塩化合物によって提供されるＳｉＯ_２の質量百分率として表現される。式「ＳｉＯ_２」は、その源（例えば、ここで記載されるような多様な組成物の水溶性ケイ酸塩化合物の水溶液または固体形態）に関係なく研磨組成物中で有用な水溶性ケイ酸塩化合物の量の計算を可能にする正式表現であると認められるだろう。概して、研磨組成物は、０．１ｗｔ％以上（例えば０．２５ｗｔ％以上、０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以上、または２ｗｔ％以上）のＳｉＯ_２を提供するのに十分な水溶性ケイ酸塩化合物を含む。研磨組成物は、好ましくは、８ｗｔ％以下（例えば、６ｗｔ％以下、または４ｗｔ％以下、またさらには３ｗｔ％以下）のＳｉＯ_２を提供するのに十分な水溶性ケイ酸塩化合物を含む。最も好ましくは、研磨組成物は、０．２５ｗｔ％〜５ｗｔ％（例えば０．５ｗｔ％〜４ｗｔ％、または１ｗｔ％〜３ｗｔ％）のＳｉＯ_２を含む。

研磨系の研磨組成物は、基材の少なくとも一部を酸化する酸化剤を含む。任意の好適な酸化剤が、本発明と関連して使用されてもよい。好適な酸化剤は、無機および有機ペル化合物、臭素酸塩、硝酸塩、塩素酸塩、クロム酸塩、ヨウ素酸塩、鉄および銅塩（例えば硝酸塩、硫酸塩、ＥＤＴＡ塩、およびクエン酸塩）、希土類および遷移金属酸化物（例えば四酸化オスミウム）、フェリシアン化カリウム、重クロム酸カリウム、ヨウ素酸、キノン、およびこれらに類するもの、を含む。ペル化合物（Hawley’s Condensed Chemical Dictionaryにより定義される）は、少なくとも一つのペルオキシ基（--Ｏ--Ｏ--）を含む化合物であるか、または最高酸化状態にある元素を含む化合物である。少なくとも一つのペルオキシ基を含む化合物の例は、過酸化水素およびその付加化合物例えば過酸化尿素および過炭酸塩、有機過酸化物例えば過酸化ベンゾイル、過酢酸、およびジ−ｔｅｒｔ−ブチル過酸化物、モノ過硫酸塩（ＳＯ_５ ^２−）、ジ過硫酸塩（Ｓ_２Ｏ_８ ^２−）、および過酸化ナトリウム、を含むが限定はされない。最高酸化状態にある元素を含む化合物の例は、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩、過臭素酸、過臭素酸塩、過塩素酸、過塩素酸塩、過ホウ素酸、過ホウ素酸塩、および過マンガン酸塩を含むが限定はされない。好ましくは、酸化剤は、過酸化水素、ヨウ素酸塩、過マンガン酸塩、過硫酸塩、ペルオキソモノ硫酸水素硫酸塩、モリブデン酸塩、硝酸（第二）鉄、硝酸塩、キノン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。より好ましくは、酸化剤は、ヨウ素酸カリウムまたは過酸化水素である。

酸化剤が塩であるとき、酸化剤は任意の好適なカチオンを有してもよい。好適なカチオンの非限定的な例は、カリウム、アンモニウム、およびそれらに類するものを含む。

酸化剤がキノンであるとき、酸化剤は任意の好適なキノンであってもよい。好適なキノンの非限定的な例は、ベンゾキノン、ナフトキノン、およびアントラキノンである。キノンは、任意の置換可能なところで任意の置換基または置換基の組み合わせで置換されてもよい。好ましい置換基は、研磨組成物の水中でキノンの溶解性および乳化性を授与する基を含む。好適な基は、限定することなく、ヒドロキシル、アミノ、モノアルキルアミノ、ジアルキルアミノ、スルホン酸、カルボキシル、ホスホン酸、それらの塩、およびそれらの組み合わせを含む。一実施態様では、キノンは少なくとも一つのヒドロキシル基で置換される。他の実施態様では、キノンは少なくとも一つの酸性の置換基またはその塩で置換される。好ましくは、少なくとも一つの酸性の置換基は、スルホン酸、カルボキシル、およびホスホン酸からなる群から選択される。より好ましくは、少なくとも一つの酸性の置換基は、スルホン酸（−ＳＯ_３Ｈ）である。酸性の置換基は塩を構成できることが理解され、そしてこの関連で、酸性の置換基を有するキノンは酸、塩、またはジ−もしくはポリ置換されたものが存在可能であるときは部分塩（例えばジスルホン酸のモノ塩）として存在することができる。酸性の置換基を有するキノンは、酸形態または塩形態のいずれかで本発明の研磨組成物で使用するために供給されてもよい。好ましいアントラキノンは、アントラキノン−２，６−ジスルホン酸、アントラキノン−２−ジスルホン酸、アントラキノン−１，８−ジスルホン酸、アントラキノン−１，５−ジスルホン酸、アシッドブルー４５、それらの塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。好ましいベンゾキノンは、１，４−ベンゾキノンおよび２，５−ジヒドロキシ−１，４−ベンゾキノンを含む。好ましいナフトキノンは、１，２−ナフトキノン−４−スルホン酸およびそれらの塩を含む。

研磨系の研磨組成物中の酸化剤の濃度は、望ましくは、１ｍＭ以上（例えば、２ｍＭ以上、または３ｍＭ以上、または５ｍＭ以上）である。研磨組成物中の酸化剤の濃度は、好ましくは、１Ｍ以下（例えば、０．５Ｍ以下、または０．２５Ｍ以下、または０．１Ｍ以下）である。望ましい酸化剤の濃度は、任意の好適な手段、例えば研磨組成物の調製において、水とそこに溶解または懸濁した任意の成分の質量を基準として、０．０５ｗｔ％〜２０ｗｔ％の酸化剤を使用することによって、得ることができる。

研磨系は８〜１２のｐＨを有する。好ましくは、研磨系は８〜１１のｐＨを有し、より好ましくは９〜１１のｐＨを有する。研磨系のｐＨは、任意の好適な手段によって得られおよび／または維持されることができる。より具体的には、研磨系はｐＨ調整剤、ｐＨ緩衝剤、またはそれらの組み合わせをさらに含んでもよい。ケイ酸ガラス（例えばアルカリ金属ケイ酸塩）の溶解によって得られた、または熱水プロセスによって調製された、水溶性ケイ酸塩化合物の水溶液は１１以上の強塩基性であり、強塩基と弱酸の塩からできている。研磨系のｐＨは、必要に応じて、望ましいｐＨを得るために、存在しているＭ_２Ｏを中和するのに十分な量の酸を添加して、水溶性ケイ酸塩化合物の強塩基性溶液を酸性化することによって、調整可能である。ｐＨ調整剤は、任意の好適なｐＨ調整化合物であってよい。例えば、ｐＨ調整剤は、望ましい最終ｐＨを創るために十分に強力な任意の好適な酸であってもよい。好適な酸の例は、硝酸、酢酸、リン酸、およびそれらに類するものを含む。ｐＨは、必要に応じて、強塩基を添加することによって上昇させてもよい。強塩基の例は、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（例えば水酸化テトラメチルアンモニウム）を含む。

ｐＨ緩衝剤は任意の好適な緩衝剤、例えばリン酸塩、酢酸塩、ホウ酸塩、アンモニウム塩、及びそれらに類するものであってもよい。緩衝剤が研磨系のｐＨを調整するために使用されるとき、十分な量の緩衝剤が研磨系に添加されて、十分なＭ_２Ｏを中和し、望ましいｐＨを提供することが理解されるであろう。研磨系は、ここで説明された範囲内の研磨系のｐＨを得るためおよび／または維持するために十分な量であるという条件で、任意の好適な量のｐＨ調整剤および／またはｐＨ緩衝剤を含んでもよい。

研磨系のｐＨは任意の好適なときに調整されてもよい。例えば、ここで記載された研磨系の研磨組成物に水溶性ケイ酸塩化合物を添加した後で、ｐＨが調整されてもよい。また、望ましい量の水溶性ケイ酸塩化合物が研磨組成物に添加されてもよく、ここで研磨組成物は、研磨組成物と水溶性ケイ酸塩化合物の混合が完了した後に望ましいｐＨが得られるように、十分な量のｐＨ調整剤および／またはｐＨ緩衝剤を含む。さらに他の実施態様では、研磨系のｐＨは使用時（例えば、基材の表面で）に調整される。

研磨系は随意的に腐食防止剤（すなわち、フィルム形成剤）を含む。腐食防止剤は基材の任意の成分のための、任意の好適な腐食防止剤であってもよい。好ましくは、腐食防止剤は銅−腐食防止剤である。本発明の目的に関して、腐食防止剤は任意の化合物または化合物の混合物であり、これらは研磨される表面の少なくとも一部に不動態層（すなわち、溶解−防止層）を形成することを促進する。有用な腐食防止剤は、例えば、窒素含有ヘテロ環式化合物を含む。腐食防止剤は望ましくは一以上の５−または６−員、ヘテロ環式、窒素含有環を含む。好ましい腐食防止剤は、１，２，３−トリアゾール、１，２，４−トリアゾール、ベンゾトリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾチアゾール、およびそれらの派生物、例えば、ヒドロキシ−、アミノ−、イミノ−、カルボキシ−、メルカプト−、ニトロ−、尿素−、チオ尿素−、またはそれらのアルキル置換派生物を含む。最も好ましくは、腐食防止剤は、ベンゾトリアゾール、１，２，３−トリアゾール、１，２，４−トリアゾール、およびそれらの混合物からなる群から選択される。本発明の研磨系は任意の好適な量の腐食防止剤を含んでもよい。概して、研磨系の研磨組成物は、０．００５ｗｔ％〜１ｗｔ％（例えば０．０１〜０．５ｗｔ％、または０．０２〜０．２ｗｔ％）の腐食防止剤を含む。

研磨系は随意的に一以上の他の添加剤をさらに含む。そのような添加剤は、任意の好適な界面活性剤および／またはレオロジー制御剤を含む。好適な界面活性剤は例えばカチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、アニオン性ポリ電解質、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤、フッ素化界面活性剤、それらの混合物、およびこれらに類するものを含む。

研磨系は随意的に消泡剤をさらに含む。消泡剤は任意の好適な消泡剤を含んでもよい。好適な消泡剤は、シリコン系およびアセチレンジオール系消泡剤を含むがこれらに限定はされない。研磨系の研磨組成物中に存在する消泡剤の量は概して４０ｐｐｍ〜１４０ｐｐｍである。

研磨系は随意的に殺生剤をさらに含む。殺生剤は任意の好適な殺生剤、例えばイソチアゾリノン殺生剤であってもよい。研磨系で使用される殺生剤の量は、概して１ｐｐｍ〜５００ｐｐｍであり、および好ましくは１０ｐｐｍ〜２００ｐｐｍである。

研磨系の研磨組成物は任意の好適な技術によって調整されてもよく、その技術の多くは当業者に既知である。研磨組成物は、バッチまたは連続プロセスで調整されてもよい。概して、研磨組成物は、任意の順番でその成分を混ぜ合わせることによって調整されてもよい。ここで使用される用語「成分」は、個々の構成要素（例えば研削材、水溶性ケイ酸塩化合物、等）および構成要素（例えば、研削材、水溶性ケイ酸塩化合物、酸化剤等）の任意の組み合わせも含む。

研磨系の研磨組成物はまた、使用前に適当な量の水で希釈されることを意図した濃縮物として用意されてもよい。このような実施態様において、研磨組成物濃縮物は研削材、水溶性ケイ酸塩化合物、酸化剤および水を含んでもよく、それらの量は、適当な量の水で濃縮物を希釈した際に研磨組成物の各成分が研磨組成物中で各成分について上述した適当な範囲内で存在するような量である。例えば、研削材、水溶性ケイ酸塩化合物、および酸化剤が、それぞれ濃縮物中で存在してもよく、それらの量は、濃縮物が等体積の水（例えば２倍に等しい体積の水、３倍に等しい体積の水、または４倍に等しい体積の水）で希釈されたときに、各成分が各成分について上述した範囲内の量で研磨組成物中に存在するように、各成分について上述した濃度の２倍（例えば、それぞれ、３倍、４倍、または５倍）の量である。さらに、当業者は理解するであろうが、水溶性ケイ酸塩化合物、酸化剤および他の好適な添加剤が少なくとも部分的にまたは完全に濃縮物中に溶解することを確実なものとするために、濃縮物は最終研磨組成物中に存在する適当な少量の水を含んでもよい。

本発明と関連して使用される任意の成分は、水中の溶液または混合物の形態で用意されてもよい。このときに二以上の成分が個別に貯蔵され、そしてその後混合され研磨系の研磨組成物を生成することが望ましい。この点で、研磨組成物が調製され（例えば全ての成分が一緒に混合される）、その後基材の表面に配送されることが好適である。二以上の異なる源から研磨組成物の成分を配送し、これにより（例えば使用時に）基材の表面で研磨組成物の成分が出会うことを通じて、研磨組成物が基材の表面で調製されることも好適である。いずれかのケースにおいて、研磨系の研磨特性、例えば研磨速度、が変化するように、研磨組成物の成分が基材の表面に配送される流速（すなわち研磨組成物の特定の成分の配送量）が、研磨プロセスの前および／または研磨プロセスの間に変化されてもよい。

研磨組成物は、水溶性ケイ酸塩化合物、酸化剤、および水を含むワンパッケージの系として供給されてもよい。あるいは、水溶性ケイ酸塩化合物と水が第一の容器で供給されてもよく、および酸化剤が第二の容器で供給されてもよく、その形態は乾燥形態または水中の溶液若しくは分散液のいずれかである。随意的な成分、例えば研削材、界面活性剤、および／または腐食防止剤が、第一および／または第二の容器または第三の容器に収容されてもよい。さらに、第一または第二の容器内の成分は、対応する容器内の成分が水性分散液または水溶液の形態であることができる間は、乾燥形態であってもよい。さらに、第一または第二の容器内の成分が異なるｐＨ値を有することが、あるいは似たようなｐＨ値を有することが、あるいはさらに等しいｐＨ値を有することが好適である。随意的な成分、例えば研削材、が固体である場合、それは乾燥形態でまたは水中での混合物として供給されてもよい。望ましくは、酸化剤は、研磨組成物の他の成分と別に供給され、および使用の直前に（例えば使用前の１週間以内、使用前の１日以内、使用前の１時間以内、使用前の１０分以内、または使用前の１分以内に）、例えばエンドユーザーによって、研磨組成物の他成分と混合される。他の二容器、または三以上の容器、研磨組成物の成分の組み合わせは、当業者の知識の範囲内である。

研磨系の研磨組成物の成分が使用の直前またはかなり前に混合可能である一方、研磨組成物の成分は使用箇所でまたはその近くで混合可能である。ここで使用されるとおり、「使用箇所」という用語は、研磨組成物が基材表面と接触する箇所を言う。研磨組成物の成分が、使用箇所での混合を用いて、混合される場合、研磨組成物の成分は二以上の貯蔵装置で別々に貯蔵される。

貯蔵装置に収容される研磨組成物の成分を使用箇所またはその近くで混合するために、貯蔵装置は、概して、それぞれの貯蔵装置から研磨組成物の使用箇所（例えば定盤または基材表面）まで導く一以上の配管を備えている。「フローライン」という用語によって、個々の貯蔵容器からそこに貯蔵されていた成分の使用箇所までの流れ（フロー）の経路を意味する。一以上のフローラインは、それぞれ直接的に使用箇所に至ってもよいし、または、一以上のフローラインが使用される場合は、二以上のフローラインを任意の箇所で使用箇所に至る単一のフローラインに組み合わせてもよい。さらに、一以上のフローライン（例えば、個々のフローラインまたは組み合わせたフローライン）のいずれかが、前記の成分が使用箇所に到達する前に、まず一以上の他のデバイス（例えば、ポンピングデバイス、計測デバイス、混合デバイス、等）に至ってもよい。

研磨組成物の成分は、独立に使用箇所に配送されてもよく（例えば、前記の成分が基材表面に配送され、そこでその成分が研磨プロセスの間に混合される）、または、前記の成分は使用箇所に配送される直前に混合されてもよい。成分が「使用箇所に配送される直前に」混合されるというのは、成分が、使用箇所に到達する前の１０秒以内に、好ましくは使用箇所に到達する前の５秒以内に、より好ましくは使用箇所に到達する前の１秒以内に、さらには使用箇所に前記成分を配送するのと同時に（例えば、前記成分がディスペンサーで混合される）、混合される場合をいう。また成分が「使用箇所に配送される直前に」混合されるというのは、成分が、使用箇所から５ｍ以内で、例えば使用箇所から１ｍ以内で、またはさらには使用箇所から１０ｃｍ以内（例えば使用箇所から１ｃｍ以内）で、混合される場合をいう。

研磨系の研磨組成物の二以上の成分が使用箇所に到達する前に混合されるとき、この成分は、混合デバイスを使用することなく、フローラインで混合され、および使用箇所に配送されてもよい。あるいは、一以上のフローラインが混合デバイスに至り、二以上の成分の混合を促進してもよい。任意の好適な混合デバイスが使用されてもよい。例えば、混合デバイスは、二以上の成分が通過するノズルジェット（例えば高圧力ノズルまたはジェット）であってもよい。あるいは、混合デバイスは、一以上の注入口および少なくとも一つの排出口を有する容器型混合デバイスであってもよく、注入口によって研磨組成物の二以上の成分がミキサー（混合機）に導入され、排出口を介して混合された成分がミキサーを出て、直接または装置の他の構成要素（例えば、一以上のフローライン）を通って、使用箇所に配送される。さらに、混合デバイスは、一つより多いチャンバーを含んでもよく、各チャンバーは少なくとも一つの注入口および少なくとも一つの排出口を有し、ここで二以上の成分が各チャンバーで混合される。容器型混合デバイスが使用される場合、混合デバイスは、好ましくは、成分の混合をさらに促進するための混合機構を有する。混合機構は、一般に技術的に知られており、および攪拌（ステア）、配合（ブレンド）、かき混ぜ（アジテート）、櫂型邪魔板（パドルバッフル）、気体散布（ガススパージ）システム、振動（バイブレーション）等を含む。

本発明はさらに、ここに記載した研磨系を使用する基材を研磨する方法を提供する。この基材を研磨する方法は、（ｉ）前述の研磨系と基材を接触させること、および（ｉｉ）基材の少なくとも一部を摩耗または除去して、基材を研磨することを含む。

具体的には、本発明の方法は、（ｉ）研磨成分、０．１ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量の水溶性ケイ酸塩化合物、基材の少なくとも一部を酸化する酸化剤、および水を含み、ｐＨが８〜１２である、化学−機械研磨系と、基材を接触させるステップ、ならびに（ｉｉ）基材の少なくとも一部を摩耗させて、基材を研磨するステップを含む。

本発明により、基材はここで記載された研磨系を用いて任意の好適な技術により研磨されてもよい。本発明の方法は、化学−機械研磨（ＣＭＰ）装置と関連する使用に特に適している。概して、この装置は定盤、研磨パッドおよびキャリアを含み、定盤は使用時に動いていて、環状、線形、または円形動作の結果による速度を有し、研磨パッドは定盤と接触していて、使用時には定盤とともに動き、キャリアは研磨パッドの表面に接触し動くことによって、研磨される基材を保持する。基材の少なくとも一部を研磨するために、基材の一部を摩耗させおよび除去するように、基材を本発明の研磨系と接触して配置することによって、および間に研磨系の他の成分を伴って基材に対して研磨パッドを動かすことにより、基材の研磨が行われる。

基材は本発明の方法によって研磨可能な任意の好適な基材であってよい。基材は金属（例えば、銅、タンタル、アルミニウム、チタン、モリブデン、およびそれらに類するもの）、金属合金（ステンレス鋼、コバルト−クロム、およびそれらに類するもの）、半導体（例えば、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、およびそれらに類するもの）、セラミックス（例えば、炭窒化ケイ素）、ポリマー（例えば、ポリカーボネート）、光学材料（例えば、サファイア、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、およびそれらに類するもの）、ダイヤモンド、および絶縁材料を含んでもよい。

基材は、任意の好適なマイクロエレクトロニクス基材（例えば、集積回路、金属、ＩＬＤ層、半導体、薄膜、ＭＥＭＳ、磁気ヘッド）を含んでもよく、および任意の好適な絶縁材、金属、または金属合金層（例えば、金属導電性層）をさらに含んでもよい。より好ましくは、基材は、銅を含む金属層をさらに含む。絶縁層は、金属酸化物、多孔性金属酸化物、ガラス、有機ポリマー、フッ素化有機ポリマー、または任意の好適な高または低−ｋ絶縁層であってもよい。絶縁層は、好ましくは、誘電率が３．５以下の誘電材料を含む。

低誘電率（例えば低−ｋ誘電体）材料の例は、フッ素ドープした二酸化ケイ素、有機修飾したシリコンガラス例えば炭素ドープした二酸化ケイ素（ＣＤＯ）、フッ素化カーボン、および有機材料例えばフッ素化および非フッ素化パリレンおよびポリイミドを含むが、これらに限定はされない。低−ｋ誘電体は、多孔性または非孔性であってもよい。低誘電材料の例は、多孔性ヒドロシルセスキオキサンまたは多孔性メチルシルセスキオキサン、多孔性シリカ構造物例えばエアロゲル、低温堆積シリコンカーボンフィルム、低温堆積Ｓｉ−Ｏ−Ｃフィルム、およびメチルドープした多孔性シリカである。好ましくは、絶縁層は有機修飾シリコンガラスまたは炭素ドープした二酸化ケイ素である。

本発明の研磨系は、有利に、基材の化学−機械研磨と関係する摩擦係数の低減を可能にし、一方で許容可能な研磨速度を維持する。

望ましくは、ＣＭＰ装置はin-situ研磨終点検知システムをさらに含み、そのシステムの多くは技術的に既知である。基材の表面から反射される光または他の放射を分析することによって、研磨プロセスを検査し監視する技術は、技術的に既知である。望ましくは、研磨される基材について研磨プロセスの進捗を検査または監視することにより、研磨の終点を決定すること、すなわち特定の基材について研磨プロセスを終了させるときを決定すること、が可能となる。

以下の例はさらに本発明を説明するが、もちろん、あらゆる形で本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本例は、本発明を使用して、タンタルを含む基材の研磨で観察される摩擦係数の低減を実証する。

２５０ｎｍのタンタル層を含む同様の基材を、異なる研磨組成物（研磨組成物ＡとＢ）で研磨した。研磨組成物ＡとＢはそれぞれ、０．５ｗｔ％のセリアと、０．２０ｗｔ％のヨウ素酸カリウムを水中に含み、ｐＨ１１であった。研磨組成物Ｂは、３ｗｔ％のケイ酸カリウムをさらに含んでいた。

基材を、Logitech Model CDPポリッシャーで、ポリウレタン研磨パッドを使用して、６０秒間研磨した。研磨パラメータは以下を使用した：研磨パッドに対して基材のダウンフォース圧力が１３．８ｋＰａ（２ｐｓｉ）；定盤速度が６６ｒｐｍ；キャリア速度が７０ｒｐｍ；研磨組成物流速が１６０ｍＬ／分；およびポリウレタン研磨パッドを使用。研磨後に、比抵抗測定を用いて除去速度を測定した。

研磨パッドと基材との間の摩擦によって生じた力に対する、研磨操作中のキャリアシャフトの位置のずれの関係によって、摩擦係数は測定される。図を参照すると、記録デバイス（２０）に電気的に接続された非接触の容量位置ずれセンサー（１０）が、ポリッシャー（４０）のキャリアシャフト（３０）に隣接して、間にギャップ（５０）を空けて置かれた。基材の研磨の間に生じた摩擦力に起因する力Ｆ（６０）によって引き起こされたキャリアシャフトの位置ずれが、センサーの出力電圧に変化をもたらした。キャリアシャフトの中心軸に対して法線方向にあるキャリアシャフトに適用された既知の力の関数として、センサーの出力電圧の測定によって、較正曲線が得られた。研磨試験中にキャリアシャフトに適用された平均的な力Ｆ_ａは、６０秒にわたる研磨時間の平均電圧を用いて、較正曲線から測定された。摩擦係数μは、力Ｆ_ａと研磨パッドＰ（９０）に対する基材（８０）のダウンフォース圧力（７０）から、式：μ＝Ｆ_ａ／Ｐを用いて計算した。結果を表に示す。

表に示した結果から明らかなとおり、本発明の研磨組成物における３ｗｔ％のケイ酸カリウムの存在は、タンタルの層を含む基材の研磨で観察された摩擦係数の約２０％の低下をもたらし、一方でタンタル除去速度は約１２％だけの低下であった。このようにして、本例の結果は、本発明の研磨組成物と方法によって摩擦を低減することが達成可能であることを実証した。

化学−機械研磨プロセスの場合に、摩擦係数を測定するための方法の説明図。

Claims (33)

1. （ａ）研磨パッド、研削剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、研磨成分、
   （ｂ）０．１ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量の、水溶性ケイ酸塩化合物、
   （ｃ）基材の少なくとも一部を酸化する、酸化剤、および
   （ｄ）水、
   を含んでなり、ｐＨが８〜１２である、基材を研磨するための化学−機械研磨系。
2. 水溶性ケイ酸塩化合物が、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸カリウム、およびメタケイ酸ナトリウムからなる群から選択される、請求項１に記載の研磨系。
3. 水溶性ケイ酸塩化合物が、ケイ酸カリウムである、請求項２に記載の研磨系。
4. ケイ酸カリウムが０．２５ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量で存在する、請求項３に記載の研磨系。
5. ケイ酸カリウムが、２．８〜３．９のＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏモル比を有する、請求項３に記載の研磨系。
6. ケイ酸カリウムが、３〜３．６のＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏモル比を有する、請求項５に記載の研磨系。
7. 酸化剤が、過酸化水素、ヨウ素酸塩、過マンガン酸塩、過硫酸塩、ペルオキソモノ硫酸水素硫酸塩、モリブデン酸塩、硝酸（第二）鉄、硝酸塩、キノン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の研磨系。
8. 研磨系がさらに研削材を含み、ここで研削材が水中に懸濁する、請求項１に記載の研磨系。
9. 研削材が、アルミナ、セリア、シリカ、ジルコニア、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載の研磨系。
10. 研磨系が研磨パッドおよび研削材を含み、ここで研削材は研磨パッドに固定される、請求項１に記載の研磨系。
11. 水溶性ケイ酸塩化合物が、０．５ｗｔ％以上の量で存在する、請求項１に記載の研磨系。
12. ｐＨが９〜１１である、請求項１に記載の研磨系。
13. （ｉ）（ａ）研磨パッド、研削剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、研磨成分、
    （ｂ）０．１ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量の、水溶性ケイ酸塩化合物；
    （ｃ）基材の少なくとも一部を酸化する、酸化剤；および、
    （ｄ）水、
    を含む化学−機械研磨系と基材を接触させること、ならびに
    （ｉｉ）基材の少なくとも一部を摩耗させて、基材を研磨すること、
    を含んでなる、基材を化学的−機械的に研磨する方法であって、
    ここで研磨系のｐＨが８〜１２である、方法。
14. 水溶性ケイ酸塩化合物が、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸カリウム、およびメタケイ酸ナトリウムからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
15. 水溶性ケイ酸塩化合物が、ケイ酸カリウムである、請求項１４に記載の方法。
16. ケイ酸カリウムが０．２５ｗｔ％以上のＳｉＯ_２を提供するのに十分な量で存在する、請求項１５に記載の方法。
17. ケイ酸カリウムが、２．８〜３．９のＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏモル比を有する、請求項１５に記載の方法。
18. ケイ酸カリウムが、３〜３．６のＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏモル比を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 酸化剤が、過酸化水素、ヨウ素酸塩、過マンガン酸塩、過硫酸塩、ペルオキソモノ硫酸水素硫酸塩、モリブデン酸塩、硝酸（第二）鉄、硝酸塩、キノン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
20. 研磨系がさらに研削材を含み、ここで研削材が水中に懸濁する、請求項１３に記載の方法。
21. 研削材が、アルミナ、セリア、シリカ、ジルコニア、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２０に記載の方法。
22. 研磨系が研磨パッドおよび研削材を含み、ここで研削材は研磨パッドに固定される、請求項１３に記載の方法。
23. 水溶性ケイ酸塩化合物が、０．５ｗｔ％以上の量で存在する、請求項１３に記載の方法。
24. ｐＨが９〜１１である、請求項１３に記載の方法。
25. 基材が金属層を含んでなる、請求項１３に記載の方法。
26. 金属層がタンタルを含んでなる、請求項２５に記載の方法。
27. 金属層がさらに銅を含んでなる、請求項２６に記載の方法。
28. 基材が、誘電率が３．５以下の誘電層を含んでなる、請求項１３に記載の方法。
29. 誘電層が有機的に修飾されたシリコンガラスである、請求項２８に記載の方法。
30. 誘電層が炭素ドープした二酸化ケイ素である、請求項２８に記載の方法。
31. 基材がさらに金属層を含んでなる、請求項２８に記載の方法。
32. 金属層がタンタルを含んでなる、請求項３１に記載の方法。
33. 金属層がさらに銅を含んでなる、請求項３２に記載の方法。

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